7月31日消息，近日，IBM研究人員針對其“7nm and Beyond”項目在芯片技術方面的創(chuàng)新,，向業(yè)界分享了他們的觀點。架構(gòu)方面,，IBM認為納米片晶體管超越FinFET的重要技術,。同時，人工智能技術發(fā)展下的異構(gòu)架構(gòu)系統(tǒng)將成為未來計算發(fā)展的關鍵,。早在2014年,，隨著“摩爾定律將死”的觀點在芯片行業(yè)四起,，雄心勃勃的IBM耗資30億美元，啟動了一個名為“7nm and Beyond”的項目,，期望通過為期5年的研究,，看看在芯片尺寸不斷縮小的物理效應作用下，未來的計算技術將如何發(fā)展,。

“在實現(xiàn)設備擴展和性能差異化的過程中,，都無法停止對新設備架構(gòu)和新材料的探索?！盜BM高級邏輯和存儲技術研究,、半導體和AI硬件部門主管Huiming Bu談到，雖然摩爾定律已無法很好地指導芯片技術的發(fā)展,，但在計算領域,，創(chuàng)新仍是發(fā)展的必經(jīng)之路。其中,，“7nm and Beyond”項目就能夠滿足計算領域不斷增長的創(chuàng)新需求,。

一、芯片邁向7nm的關鍵：EUV光刻技術

2015年,，在整個芯片行業(yè)都處于14nm向10nm制程工藝轉(zhuǎn)型的時期,，IBM宣布了全球首款7nm測試芯片，由格羅方德,、三星和紐約州立大學理工學院納米工程合作研發(fā),。

當時，他們首次在晶體管中加入了一種名為“硅鍺”（簡稱SiGe）的材料,，以替代原有的純硅,，同時還采用了荷蘭光刻機巨頭ASML的極紫外光刻（EUV）技術。

在芯片制造過程中,，光刻是一種通過利用光學和化學反應原理,，將芯片電路圖轉(zhuǎn)移到晶圓表面的工藝技術。一般的光刻工藝需要經(jīng)過清洗烘干,、旋涂光刻膠,、對準曝光和刻蝕等數(shù)百道工序，占整個芯片制造環(huán)節(jié)的50%左右,。

EUV技術則是一種采用波長13.5nm的極紫外光作為光源的光刻技術,，對光照強度、能耗效率和精度等都有極高要求,。

在2015年,，市場上主流的光刻技術為波長248nm的KrF光刻和波長193nm的ArF光刻，均采用浸沒式DUV光刻機,，而ASML的EUV光刻機也才剛進入商用階段不久,。

據(jù)了解,，與當時的10nm工藝芯片相比，IBM的7nm芯片面積縮小將近一半,，可容納超200億個晶體管,，效能也提升了50%。

在Huiming Bu看來,，EUV不僅是推進芯片實現(xiàn)7nm節(jié)點,，并超5nm制程不斷發(fā)展的的關鍵技術。

Huiming Bu談到,，回望2014年到2015年,，整個半導體行業(yè)對EUV技術的實際可行性都存在著很大疑問，但現(xiàn)在EUV技術已成為推動芯片先進制程發(fā)展的主流技術,?！爱擨BM基于EUV技術交付第一款7nm芯片時，它幫助我們建立了行業(yè)使用EUV制造的動力和信心,?！彼f。

但IBM的野心不止于7nm,，而是要超越7nm,。

二、摩爾定律發(fā)展的“最后一步”：納米片晶體管

在IBM看來,，納米片晶體管（Nanometers transistor）將是實現(xiàn)超越FinFET（鰭式場效應晶體管）的重要基礎元素,，亦是FinFET架構(gòu)的替代品，有望實現(xiàn)芯片制程從7nm到5nm,、3nm節(jié)點的過渡,。也有不少行業(yè)人士認為，納米片晶體管很可能是摩爾定律發(fā)展的最后一步,。

為此,，IBM研究人員研發(fā)了首批碳納米晶體管。

何為納米片晶體管,？簡單地說,，納米片場效應晶體管能夠使電流流經(jīng)多疊層硅片,，這些硅片完全被晶體管柵極所環(huán)繞,。該設計大大減少了關閉狀態(tài)下可能泄漏的電流量，讓開關在打開時可使用更多電流來驅(qū)動器件,。

“三年前,，業(yè)界對FinFET以外的半導體結(jié)構(gòu)提出疑問；三年后,，整個行業(yè)都在支持納米片晶體管技術,，認為它將是繼FinFET后的下一代半導體結(jié)構(gòu),。”Huiming Bu說,。

其中,，三星就打算在研發(fā)3nm制程節(jié)點時，引入納米片晶體管技術,。

三,、布線的創(chuàng)新點：擴大對銅線的使用

除了對芯片架構(gòu)的創(chuàng)新應用外，如何在芯片設計階段對布線進行重新設計,，也是IBM研究人員研發(fā)的方向之一,。

經(jīng)過“7nm and Beyond”項目研究，IBM研究人員對如何在這些晶體管和開關上進行布線有了一定的見解,。

“我們的創(chuàng)新之一就是盡可能地增加對銅線的使用,。”IBM研究員Daniel Edelstein談到,，其中最困難的部分在于對極其微小的溝槽進行圖案化,，并用銅進行填充，使其沒有缺陷,。

實際上,，現(xiàn)階段銅的使用在晶體管布線中仍存在挑戰(zhàn)，但Edelstein認為,，在未來短時間內(nèi),，行業(yè)將不會從銅遷移到其他更特殊的材料?！耙驗榫湍壳暗纳a(chǎn)而言,，銅的使用肯定還沒有達到極限?！彼f,。

四、AI推動異構(gòu)集成發(fā)展,，新興存儲器取得突破

對IBM來說,，芯片尺寸、架構(gòu)和材料驅(qū)動了“7nm and Beyond”項目的許多創(chuàng)新發(fā)展,，但Edelstein和Huiming Bu都注意到,，人工智能（AI）也在未來計算技術的發(fā)展中扮演著關鍵的角色。

“隨著AI,、大腦啟發(fā)式計算和其他非數(shù)字計算的出現(xiàn),，我們開始在研究層面開發(fā)其他設備，尤其是新興的存儲設備,?！盓delstein談到,，如相變存儲器（PCM）、憶阻器（Memristor）,，這些已被行業(yè)認為是模擬計算設備,。

IBM認為，這些新存儲設備的出現(xiàn),，讓人們重新思考傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲之外的潛在應用,。

目前，IBM研究人員正在思考和開發(fā)磁阻式隨機存取內(nèi)存（MRAM）的新應用,，而IBM從30年前MRAM首次面世以來就開始投入研究,。

“如今，MRAM終于取得一定的突破,?！盓delstein說，它不僅可以實現(xiàn)制造,，還可以滿足與靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）在系統(tǒng)緩存競爭方面所需的各種要求,。

2019年，半導體和顯示設備制造商應用材料為客戶提供的相關解決方案,，就直接證明了MRAM和其他非易失性存儲器（包括RRAM和PCM）能夠直接嵌入處理器中,。

“將各種組件集成到統(tǒng)一計算系統(tǒng)的需求，正開始推動一個異構(gòu)集成的全新世界,?！痹贖uiming Bu看來，構(gòu)建異構(gòu)架構(gòu)系統(tǒng)不僅將成為未來計算發(fā)展的關鍵,，亦是受AI需求驅(qū)動下一種新的行業(yè)創(chuàng)新策略,。

作為全球重要的信息技術公司，IBM“7nm and Beyond”項目對新設備,、新材料和新計算架構(gòu)的探索,，是它在不斷追求實現(xiàn)更高效計算性能過程中，所邁出的重要一步,。隨著如今芯片制程技術發(fā)展到5nm,，并不斷往更精細、更先進的制程推進,，我們期待IBM在未來能夠為半導體行業(yè)帶來更多的創(chuàng)新思路和驚喜,。

文章來源： Spectrum IEEE